[发明专利]超临界二氧化碳钻井液模拟实验装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种钻井液模拟实验装置，特别是涉及一种超临界二氧化碳钻井液模拟实验装置。

背景技术

随着世界石油的勘探、开发以及需求量的不断增加，一些低压低渗油气藏逐渐被发现、压力枯竭油气藏逐渐出现，由于需求的不断增加和技术的不断进步，上述油气藏逐渐被纳入可开采范围。但在钻进这些油气藏时常会出现下列问题：(1)使用气体(空气、氮气、天然气等)钻井：井下马达不易驱动、携岩困难、不能实现射流破岩、井底压力不易控制、有时会出现井下着火或爆炸等问题；(2)使用泡沫或充气钻井液：井下难以保持深度欠平衡状态，难以实现理想的井下压力控制。而使用超临界二氧化碳钻井具有以下优势：(1)随井深的增加，温度和压力达到临界点，其高密度可为动力钻具提供驱动力，也为射流破岩提供了基础；(2)通过喷嘴产生温度降低效应，起到冷却和清洁钻头作用-延长了钻头的使用寿命；(3)类似气体的低粘度易实现紊流状态-具有较好井眼清洁能力；(4)侵入储层，溶解重烃，使粘土矿物脱水-增大了孔隙度，形成弱酸，具有近井增产增注，远井调剖等作用；降低原油粘度，使原油体积膨胀等-促进采收率提高；(5)进入环空后，变为气相-维持了井底深度欠平衡状态。

目前深度欠平衡钻井过程中以下问题：(1)泡沫或充气钻井液，钻井速度低、井底压力不易控制、污染油气层、难以实现深度欠平衡等；(2)空气、氮气或天然气钻井流体，井下马达不易驱动、携岩困难、污染油气层、存在井下着火或爆炸等危险性因素问题。因此，超临界二氧化碳钻井液应运而生，是规避上述缺陷的最佳可选钻井液流体之一，但是，目前并没有一种适合的超临界二氧化碳钻井液模拟实验装置。

物质随着温度、压力的变化，都会相应的呈现为固态、液态和气态三种状态，这称作物质的三态。三态之间互相转化的温度和压力点称作三相点。除了三相点外，每种分子量不太大的稳定的物质都具有一个固有的临界点(criticalpoint)，在临界点处，气相和液相界面消失，体系成为一相。温度和压力高于临界温度和临界压力的区域称为超临界区域(supercrical area)。超临界区域中的流体是区别于气体、液体而存在的第三流体，称为超临界流体(supercricalfluid，简称SCF)。超临界流体是一种可压缩的高密度流体，是通常所说的气、液、固以外的第四态，它的分子间力很小，类似气体，它的密度接近液体，没有相界面，也就没有相际效应。它的物理性质，如密度、粘度及扩散性等，处于气体与液体之间，既具有气体的特性，又具有液体的特性，因此可以说，超临界流体是介于气体、液体这两种流体状态以外的第三流体。

超临界二氧化碳(Supercritical CO₂，简称SC-CO₂)，是指处于临界温度(31.1℃)和临界压力(7.38MPa)之上的二氧化碳流体，利用超临界二氧化碳独特的气液双重特性来服务于油气钻探领域，可以解决连续管欠平衡钻井领域存在的若干钻井液难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是解决没有适合的实验装置进行超临界二氧化碳钻井液模拟实验研究的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种超临界二氧化碳钻井液模拟实验装置，模拟装置设计要求：(1)模拟装置要能模拟井下温度和压力的状态；(2)模拟装置要能实现可视化；(3)模拟装置要尽可能全尺寸模拟现场情况。

根据上述分析，超临界二氧化碳钻井液模拟实验装置需要解决以下难点：(1)压力高、流量大，需要解决高压泵的问题；(2)未减少二氧化碳体积，常温下保存最好为液态；(3)为在短时间内实现从低温到高温和从高温到低温的迅速转换，除需要一套加温装置外，应增设一温度交换器；(4)模拟井筒高压可视；(5)气固分离问题。

本发明提供的超临界二氧化碳钻井液模拟实验装置包括模拟井筒、模拟钻杆、超临界二氧化碳钻井液输送装置、若干温度和压力传感器和数据处理装置，模拟钻杆沿轴向设有钻井液流入通道，该模拟钻杆插装在模拟井筒内，模拟钻杆的外壁与模拟井筒外壁之间形成钻井液流出通道；超临界二氧化碳钻井液输送装置，包括由若干二氧化碳储气瓶并联而成的气源、冷却装置、储气罐、流量计、高压气泵、流量调节阀、热交换装置和液固分离器，管路依次连接储气罐、流量计、高压气泵、流量调节阀、热交换装置、钻井液流入通道入口、钻井液流出通道出口、液固分离器和冷却装置形成循环环路，气源的出口连至冷却装置的入口；若干温度和压力传感器分别设置在模拟井筒底部、中部和上部的内壁上；数据处理装置设置在地面上，接收所述若干温度和压力传感器的输出信号以及流量计的流量信号并进行处理。